EU fördert Spintronic-Projekt der Uni Duisburg-Essen
Noch ist Silizium zwar nicht an die lange prognostizierten Grenzen gestoßen und auch Hersteller wie Intel sehen noch einen weiten Weg, bis es mit der Miniaturisierung auf herkömmlichem Weg nicht mehr weiter geht, doch irgendwann wird es so weit sein. Denn unterhalb einer kritischen Bauteilgröße können beispielsweise Transistoren oder Speicherzellen nicht mehr nach den üblichen Prinzipien funktionieren. Will man also auch künftig zunehmend effiziente und verkleinerte Bauelemente haben, müssen laut den Wissenschaftlern neue oder veränderte Funktionsprinzipien gefunden werden. Und dabei müssen die gut etablierten, zwar nicht ganz billigen, aber bewährten technologischen Herstellungsverfahren beibehalten werden.
Mit dem neuen Forschungsprojekt an der Uni Duisburg-Essen soll ein alternativer Ansatz verfolgt werden, mit dem der Fortbestand der Technologie prinzipiell gesichert werden kann. "Man will zukünftig nicht nur wie bisher die Ladung von Elektronen benutzen, sondern auch deren Drehrichtung ("Spin") zur Informationsverarbeitung verwenden, die so genannte 'Spintronic'. Erste erfolgreiche Resultate lassen auf viele interessante Anwendungen in der Zukunft hoffen", so Dr. Michael Farle vom Physik-Fachbereich der Universität. Das Forschungsgebiet ist Fahle zufolge auch deshalb so attraktiv, weil nach bisherigen Voraussagen Bauteile damit umso effizienter funktionieren, je kleiner sie sind.
Die Projektmitarbeiter unter Führung von Dr. Ney haben jetzt die Aufgabe, neue Materialien herzustellen, die durch gezielten Fremdatomeinbau ("Dotierung") an definierten Stellen maßgeschneiderte physikalische Eigenschaften bekommen, zum Beispiel elektrische Leitfähigkeit. So lassen sich Proben herstellen, die mit einer ferromagnetischen Elektrode am gewünschten Ort elektrisch leitend und magnetisch aktiv gemacht werden oder durch eine ferromagnetische "Tunnel-Barriere" zu schlechteren Leitern werden.
Die Tunnel-Barriere werde benötigt, wenn Elektronen beim Stromtransport durch die Probe einen sehr schmalen, elektrisch fast isolierenden und gleichzeitig ferromagnetischen Bereich durchqueren müssen. Bisher musste dies mit hohem Aufwand durch Übereinanderschichtung verschiedener Materialien hergestellt werden. Der Vorteil einer Dotierung sei, dass man nur ein Material benötigt, das lediglich an bestimmten Stellen durch Dotierung in seinen physikalischen Eigenschaften modifiziert wird.
Zusätzlich sollen magnetisch dotierte Oxide und Halbleiter hergestellt werden, indem nahezu gleich große ferromagnetische Nanopartikel in diese Materialien eingebaut werden. Die Größe ferromagnetischer Nanopartikel und deren Verteilung innerhalb der Probe können den Wissenschaftlern zufolge sehr viel definierter kontrolliert werden, als dies bei sich unkontrolliert bildenden magnetischen Clustern in hochdotierten Halbleitern der Fall ist. Mit solchen "granularen" magnetischen Halbleitern sollen sich deshalb Wechselwirkungen magnetischer Komponenten untereinander in einer halbleitenden Matrix unter sehr definierten Bedingungen untersuchen lassen.
Mit beiden Typen nanostrukturierter ferromagnetischer Materialien könnten dann auf der Basis der Verwendung eines einzigen Materials auch so genannte "Spin-Ventil"-Strukturen hergestellt werden, die aus einer Abfolge gut leitfähiger ferromagnetischer Bereiche und dazwischen liegenden, schlecht leitfähigen und dabei nicht magnetischen Bereichen bestehen. Man nennt diese Strukturen "Spin-Ventil", weil durch parallele oder antiparallele Ausrichtung der Magnetisierung benachbarter ferromagnetischer Bereiche, durch Anlegen eines externen Magnetfeldes, der elektrische Widerstand dieser Bauelemente variiert werden kann.
Zum Abschluss des Projektes sollen Prototypen dieser "Spintronic"-Bauelemente hergestellt und getestet werden. Die Projektverantwortlichen erwarten, dass sie eine deutlich verbesserte Funktionalität gegenüber der herkömmlichen Transistor-Logik haben werden. Die Arbeiten wurden nun am Duisburger Uni-Campus aufgenommen – die Leitung übernehmen Andreas Ney, der dazu von der Stanford University aus USA nach Duisburg kommt, und Michael Farle, Fachbereich Physik. Die "Uni DuE" rühmt sich, einen gut ausgebauten Bereich der Nanowissenschaften zu betreiben.